CN112376045A - 用于不规则几何形状的三维修复方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不规则几何形状的三维修复方法和系统，包括以下步骤：1)对受损零件进行预处理，得到待修复零件；2)对待修复零件进行三维扫描，得到其三维模型；3)进行机械臂手眼标定；4)获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型；5)将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配；6)在匹配后的完好零件的三维模型上确定切割平面，生成封闭的三维缺陷模型；7)基于生成的封闭的三维缺陷模型，进行机械臂路径规划，控制激光熔覆路径，对待修复零件进行自动修复；8)进行后处理。本发明可以对不规则几何形状的零部件的缺陷进行快速的定位和精确的三维建模，从而自动完成激光熔覆过程，实现高效精确的零部件修复。

Description

用于不规则几何形状的三维修复方法和系统

技术领域

本发明涉及增材修复技术领域，特别涉及一种用于不规则几何形状的三维修复方法和系统。

背景技术

目前，三维修复技术应用日益广泛，通过对受损零部件进行修复可延长零部件的使用寿命，使得零部件能得到充分利用。零部件修复中经常会涉及不规则几何形状的零部件，例如，电力工业中极其重要的构件：汽轮机叶片，其用于将高温高压气体的线性运动转变成汽轮机轴的转动，汽轮机叶片常受高温、高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，高速运转中的动叶片还要承受很高的离心力，导致零件容易出现损伤。

为延长零部件的使用寿命，需要对损伤零部件进行修复，以使得要报废的昂贵零部件得以重新利用，目前采用的修复方法是焊接合金条、等离子堆焊、超音速喷涂、氩弧焊、激光熔覆修复等方法。激光熔覆修复技术具有对准精度高、光束尺寸可以精确控制等优点，有望应用于受损零部件的修补，但对于不规则几何形状的零部件，如汽轮机叶片，三维模型的重建是一个难点，现在还缺少可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于不规则几何形状的三维修复方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于不规则几何形状的三维修复方法，包括以下步骤：

1)对受损零件进行预处理，得到待修复零件；

2)对待修复零件进行三维扫描，得到其三维模型；

3)基于待修复零件多个结构特征点，进行机械臂手眼标定；

4)根据标定结果获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型；

5)将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配；

6)在匹配后的完好零件的三维模型上确定切割平面，生成封闭的三维缺陷模型；

7)基于生成的封闭的三维缺陷模型，进行机械臂路径规划，控制激光熔覆路径，对待修复零件进行自动修复；

8)对修复后的零件进行后处理。

优选的是，所述步骤1)具体为：根据受损零件的损伤部位，确定能够完全去除损伤部位的最小截面，使用线切割获得平整的切割面，得到切除了受损部位的待修复零件。

优选的是，所述步骤2)具体为：使用三维结构光扫描仪对待修复零件进行三维扫描，得到STL格式的三维模型；

所述步骤5)和步骤6)中的完好零件的三维模型为STL格式的CAD模型。

优选的是，，所述步骤3)中，零件本身具有明显的结构特征点，基于若干个结构特征点对应的三维结构光扫描仪坐标系中的坐标和机械手坐标系中的坐标，确定三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系，完成手眼标定，其中，结构特征点数量N≥6个；具体步骤包括：

3-1)控制机械手的末端逐个定位待修复零件的N个结构特征点，记录这些结构特征点在机械手坐标系下的三维坐标；

3-2)按照步骤3-1)中的定位顺序，在待修复零件的三维模型上进行逐个结构特征点定位，获取待修复零件各个结构特征点在三维结构光扫描仪坐标系下的三维坐标；

3-3)通过步骤3-1)和3-2)得到待修复零件的结构特征点在两种坐标系下对应的三维坐标，假设机械手坐标系下的零件特征点集为{d_i}，三维结构光扫描仪坐标系下的零件特征点集为{mi}，i＝1,…,N；三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系可由下式描述：

d_i＝Rm_i+T+V_i (1)

其中，R是3×3的旋转矩阵，T是3维的平移向量，V_i是一个噪声向量；为了得到最优的

最小化下面的平方和误差：

3-4)公式(2)的最小二乘解要求{d_i}和经过旋转平移后的{m_i}有相同的质心，定义

代入公式(2)得

为了最小化式(3)，需要最大化

即最大化矩阵

的迹，其中

是相关矩阵；

3-5)对H进行奇异值分解得到H＝UΛV^T，计算出最大化

的迹的最优旋转矩阵：

最优平移向量：

优选的是，所述步骤4)具体为：根据步骤3)的手眼标定得到的最优旋转矩阵

和最优平移向量

对待修复零件的三维模型进行旋转和平移，获得在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型。

优选的是，所述步骤5)具体为：在完好零件的STL格式的CAD模型上选取N个结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上，选取和CAD模型上对应的结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；按照上述步骤3-1)至3-5)，将CAD模型匹配到机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上。

优选的是，所述步骤6)具体包括以下步骤：

6-1)在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型的切割面上选择3个不共线的标记点，在匹配后的完好零件的CAD模型上可得到对应的3个不共线的标记点，根据3个标记点的三维坐标，在匹配后的完好零件的CAD模型上确定切割平面；

6-2)根据确定的切割平面，将匹配后的完好零件的CAD模型分成两部分，一部分为待修复零件的缺损部分，该部分即为需要进行激光熔覆修补的缺陷模型；另一部分为待修复零件中未损伤的部分，不需要进行修补。

6-3)对待修复零件的缺陷模型进行边界提取，得到切割平面与CAD模型中的三角面片的交点数据，使用Delaunay三角剖分生成截面，与待修复零件的缺陷模型拼接得到封闭的三维缺陷模型，该缺陷模型位于机械臂坐标系下，保留了待修复零件缺损部分的真实坐标，可以直接用于激光熔覆轨迹的规划。

优选的是，所述步骤8)具体为：对激光熔覆修复后的完整零件进行打磨和抛光，并检测修复部位，确认零件修复完成。

本发明还提供一种用于不规则几何形状的三维修复系统，该系统包括控制处理模块、零件夹具、数控电动卡盘、三维结构光扫描仪、机械臂和激光熔覆同步送粉器，其中，所述控制处理模块用于控制实现如上所述的方法中的步骤2)-步骤7)。

优选的是，所述系统的工作步骤为：

使用零件夹具将待修复零件固定在数控电动卡盘上，调整数控电动卡盘，将待修复零件的结构特征点和缺陷部位暴露在三维结构光扫描仪的扫描范围内；

通过控制处理模块启动三维结构光扫描仪，扫描得到待修复零件的三维模型，然后通过控制处理模块获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型，并通过将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配生成待修复零件在机械臂坐标系下的三维缺陷模型；

基于三维缺陷模型，通过控制处理模块进行机械臂路径规划，控制激光熔覆同步送粉器的路径，实现激光熔覆修复受损零件。

本发明的有益效果是：本发明可以对不规则几何形状的零部件(如汽轮机叶片)的缺陷进行快速的定位和精确的三维建模，从而自动完成激光熔覆过程，实现高效精确的零部件修复。

附图说明

图1为本发明的用于不规则几何形状的三维修复方法的流程图；

图2为本发明的用于不规则几何形状的三维修复系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本实施例中不规则几何形状的零件具体为受损汽轮机叶片，以汽轮机叶片修复为例，提供一种用于不规则几何形状的三维修复方法，包括以下步骤：

1)对受损零件(汽轮机叶片)进行预处理，得到待修复零件：

根据受损零件的损伤部位，确定能够完全去除损伤部位的最小截面，使用线切割获得平整的切割面，得到切除了受损部位的待修复零件。

2)使用三维结构光扫描仪对待修复零件进行三维扫描，得到STL格式的三维模型。

3)基于待修复零件多个结构特征点，进行机械臂手眼标定。

零件本身具有明显的结构特征点，基于若干个结构特征点对应的三维结构光扫描仪坐标系中的坐标和机械手坐标系中的坐标，确定三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系，完成手眼标定，其中，结构特征点数量N≥6个；具体步骤包括：

3-1)控制机械手的末端逐个定位待修复零件的N个结构特征点，记录这些结构特征点在机械手坐标系下的三维坐标；

3-2)按照步骤3-1)中的定位顺序，在待修复零件的三维模型上进行逐个结构特征点定位，获取待修复零件各个结构特征点在三维结构光扫描仪坐标系下的三维坐标；

3-3)通过步骤3-1)和3-2)得到待修复零件的结构特征点在两种坐标系下对应的三维坐标，假设机械手坐标系下的零件特征点集为{d_i}，三维结构光扫描仪坐标系下的零件特征点集为{m_i}，i＝1,…,N；三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系可由下式描述：

d_i＝Rm_i+T+V_i (1)

其中，R是3×3的旋转矩阵，T是3维的平移向量，V_i是一个噪声向量；为了得到最优的

最小化下面的平方和误差：

3-4)公式(2)的最小二乘解要求{d_i}和经过旋转平移后的{m_i}有相同的质心，定义

代入公式(2)得

为了最小化式(3)，需要最大化

即最大化矩阵

的迹，其中

是相关矩阵；

3-5)对H进行奇异值分解得到H＝UΛV^T，计算出最大化

的迹的最优旋转矩阵：

最优平移向量：

4)根据标定结果获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型：

根据步骤3)的手眼标定得到的最优旋转矩阵

和最优平移向量

对待修复零件的三维模型进行旋转和平移，获得在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型。

5)将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配：

在完好零件的STL格式的CAD模型上选取N个结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上，选取和CAD模型上对应的结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；按照上述步骤3-1)至3-5)，将CAD模型匹配到机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上。

6)在匹配后的完好零件的三维模型上确定切割平面，生成封闭的三维缺陷模型；具体包括以下步骤：

6-1)在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型的切割面上选择3个不共线的标记点，在匹配后的完好零件的CAD模型上可得到对应的3个不共线的标记点，根据3个标记点的三维坐标，在匹配后的完好零件的CAD模型上确定切割平面；

6-2)根据确定的切割平面，将匹配后的完好零件的CAD模型分成两部分，一部分为待修复零件的缺损部分，该部分即为需要进行激光熔覆修补的缺陷模型；另一部分为待修复零件中未损伤的部分，不需要进行修补。

6-3)对待修复零件的缺陷模型进行边界提取，得到切割平面与CAD模型中的三角面片的交点数据，使用Delaunay三角剖分生成截面，与待修复零件的缺陷模型拼接得到封闭的三维缺陷模型，该缺陷模型位于机械臂坐标系下，保留了待修复零件缺损部分的真实坐标，可以直接用于激光熔覆轨迹的规划。

7)基于生成的封闭的三维缺陷模型，进行机械臂路径规划，控制激光熔覆路径，对待修复零件进行自动修复；

8)对修复后的零件进行后处理：

对激光熔覆修复后的完整零件进行打磨和抛光，并检测修复部位，确认零件修复完成。

实施例2

本实施例提供一种用于不规则几何形状的三维修复系统，该系统包括控制处理模块、零件夹具、数控电动卡盘、三维结构光扫描仪、ABB机械臂和激光熔覆同步送粉器，其中，所述控制处理模块用于控制实现实施例1所述的方法中的步骤2)-步骤7)。

在优选的实施例中，所述系统的工作步骤为：

根据受损零件的损伤部位，确定能够完全去除损伤部位的最小截面，使用线切割获得平整的切割面，得到切除了受损部位的待修复零件；

使用零件夹具将待修复零件固定在数控电动卡盘上，调整数控电动卡盘，将待修复零件的结构特征点和缺陷部位暴露在三维结构光扫描仪的扫描范围内；

通过控制处理模块启动三维结构光扫描仪，扫描得到待修复零件的三维模型，然后通过控制处理模块获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型，并通过将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配生成待修复零件在机械臂坐标系下的三维缺陷模型；

基于三维缺陷模型，通过控制处理模块进行机械臂路径规划，控制激光熔覆同步送粉器的路径，实现激光熔覆修复受损零件；

对激光熔覆修复后的完整零件进行打磨和抛光，并检测修复部位，确认零件修复完成。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对受损零件进行预处理，得到待修复零件；

2)对待修复零件进行三维扫描，得到其三维模型；

3)基于待修复零件多个结构特征点，进行机械臂手眼标定；

4)根据标定结果获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型；

5)将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配；

6)在匹配后的完好零件的三维模型上确定切割平面，生成封闭的三维缺陷模型；

7)基于生成的封闭的三维缺陷模型，进行机械臂路径规划，控制激光熔覆路径，对待修复零件进行自动修复；

8)对修复后的零件进行后处理。

2.根据权利要求1所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：根据受损零件的损伤部位，确定能够完全去除损伤部位的最小截面，使用线切割获得平整的切割面，得到切除了受损部位的待修复零件。

3.根据权利要求2所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：使用三维结构光扫描仪对待修复零件进行三维扫描，得到STL格式的三维模型；

所述步骤5)和步骤6)中的完好零件的三维模型为STL格式的CAD模型。

4.根据权利要求3所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤3)中，零件本身具有明显的结构特征点，基于若干个结构特征点对应的三维结构光扫描仪坐标系中的坐标和机械手坐标系中的坐标，确定三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系，完成手眼标定，其中，结构特征点数量N≥6个；具体步骤包括：

3-1)控制机械手的末端逐个定位待修复零件的N个结构特征点，记录这些结构特征点在机械手坐标系下的三维坐标；

3-2)按照步骤3-1)中的定位顺序，在待修复零件的三维模型上进行逐个结构特征点定位，获取待修复零件各个结构特征点在三维结构光扫描仪坐标系下的三维坐标；

3-3)通过步骤3-1)和3-2)得到待修复零件的结构特征点在两种坐标系下对应的三维坐标，假设机械手坐标系下的零件特征点集为{d_i}，三维结构光扫描仪坐标系下的零件特征点集为{m_i}，i＝1,...,N；三维结构光扫描仪坐标与机械手坐标的映射关系可由下式描述：

d_i＝Rm_i+T+V_i (1)

其中，R是3×3的旋转矩阵，T是3维的平移向量，V_i是一个噪声向量；为了得到最优的

最小化下面的平方和误差：

3-4)公式(2)的最小二乘解要求{d_i}和经过旋转平移后的{m_i}有相同的质心，定义

代入公式(2)得

为了最小化式(3)，需要最大化

即最大化矩阵

的迹，其中

是相关矩阵；

3-5)对H进行奇异值分解得到H＝UΛV^T，计算出最大化

的迹的最优旋转矩阵：

最优平移向量：

5.根据权利要求4所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：根据步骤3)的手眼标定得到的最优旋转矩阵

和最优平移向量

对待修复零件的三维模型进行旋转和平移，获得在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型。

6.根据权利要求5所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：在完好零件的STL格式的CAD模型上选取N个结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上，选取和CAD模型上对应的结构特征点，记录每个结构特征点的三维坐标；按照上述步骤3-1)至3-5)，将CAD模型匹配到机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型上。

7.根据权利要求6所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤6)具体包括以下步骤：

6-1)在机械臂坐标系下的待修复零件的三维模型的切割面上选择3个不共线的标记点，在匹配后的完好零件的CAD模型上可得到对应的3个不共线的标记点，根据3个标记点的三维坐标，在匹配后的完好零件的CAD模型上确定切割平面；

6-2)根据确定的切割平面，将匹配后的完好零件的CAD模型分成两部分，一部分为待修复零件的缺损部分，该部分即为需要进行激光熔覆修补的缺陷模型；另一部分为待修复零件中未损伤的部分，不需要进行修补。

6-3)对待修复零件的缺陷模型进行边界提取，得到切割平面与CAD模型中的三角面片的交点数据，使用Delaunay三角剖分生成截面，与待修复零件的缺陷模型拼接得到封闭的三维缺陷模型，该缺陷模型位于机械臂坐标系下，保留了待修复零件缺损部分的真实坐标，可以直接用于激光熔覆轨迹的规划。

8.根据权利要求1所述的用于不规则几何形状的三维修复方法，其特征在于，所述步骤8)具体为：对激光熔覆修复后的完整零件进行打磨和抛光，并检测修复部位，确认零件修复完成。

9.一种用于不规则几何形状的三维修复系统，其特征在于，该系统包括控制处理模块、零件夹具、数控电动卡盘、三维结构光扫描仪、机械臂和激光熔覆同步送粉器，其中，所述控制处理模块用于控制实现权利要求1-8中任意一项所述的方法中的步骤2)-步骤7)。

10.根据权利要求9所述的用于不规则几何形状的三维修复系统，其特征在于，所述系统的工作步骤为：

使用零件夹具将待修复零件固定在数控电动卡盘上，调整数控电动卡盘，将待修复零件的结构特征点和缺陷部位暴露在三维结构光扫描仪的扫描范围内；

通过控制处理模块启动三维结构光扫描仪，扫描得到待修复零件的三维模型，然后通过控制处理模块获得待修复零件在机械臂坐标系下的三维模型，并通过将完好零件的三维模型与待修复零件的三维模型进行匹配生成待修复零件在机械臂坐标系下的三维缺陷模型；

基于三维缺陷模型，通过控制处理模块进行机械臂路径规划，控制激光熔覆同步送粉器的路径，实现激光熔覆修复受损零件。

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